Termodinàmica de forats negres i radiació de Hawking
Els forats negres es comporten com a objectes termodinàmics: l'àrea del seu horitzó fa el paper d'entropia i la seva gravetat superficial el de temperatura, i el càlcul quàntic de Hawking va demostrar que realment irradien i s'evaporen lentament.
Definition
La termodinàmica dels forats negres és el marc en què s'assigna a un forat negre una entropia igual a un quart de l'àrea del seu horitzó en unitats de Planck i una temperatura proporcional a la seva gravetat superficial, amb la radiació de Hawking com l'emissió tèrmica que fa física aquesta interpretació termodinàmica.
Scope
Aquest tema cobreix les quatre lleis de la mecànica dels forats negres i la seva analogia amb la termodinàmica, l'entropia de Bekenstein-Hawking proporcional a l'àrea de l'horitzó, la temperatura i l'evaporació de Hawking, la segona llei generalitzada, i els profunds enigmes, la paradoxa de la informació i l'origen microscòpic de l'entropia dels forats negres, que aquests resultats plantegen.
Core questions
- Per què l'àrea de l'horitzó d'un forat negre es comporta com una entropia?
- Com fa la teoria quàntica que un forat negre emeti radiació tèrmica?
- Què revela la paradoxa de la informació sobre el conflicte entre la gravetat i la mecànica quàntica?
Key concepts
- Quatre lleis de la mecànica dels forats negres
- Entropia de Bekenstein-Hawking
- Temperatura de Hawking
- Evaporació de forats negres
- Segona llei generalitzada
- Paradoxa de la informació
Key theories
- Lleis de la mecànica i l'entropia dels forats negres
- L'àrea de l'horitzó d'un forat negre mai disminueix i obeeix lleis estructuralment idèntiques a les lleis de la termodinàmica, cosa que va portar Bekenstein a proposar que l'àrea és proporcional a l'entropia, posteriorment fixada amb precisió pel càlcul de la temperatura de Hawking.
- Radiació de Hawking
- Aplicant la teoria quàntica de camps a l'espaitemps corbat prop d'un horitzó, Hawking va demostrar que un forat negre emet un espectre tèrmic a una temperatura inversament proporcional a la seva massa, de manera que perd energia i finalment s'evapora.
Clinical relevance
La termodinàmica dels forats negres és el punt de trobada més clar conegut de la gravetat, la teoria quàntica i la mecànica estadística; la llei d'entropia-àrea motiva el principi hologràfic i els recomptes de microestats de la teoria de cordes, i la paradoxa de la informació guia gran part de la investigació actual cap a una teoria quàntica de la gravetat.
History
Entre 1972 i 1973, Bekenstein va argumentar que els forats negres havien de tenir una entropia proporcional a l'àrea per salvar la segona llei, mentre que Bardeen, Carter i Hawking van formalitzar les lleis de la mecànica dels forats negres; el descobriment de Hawking de l'emissió tèrmica entre 1974 i 1975 va convertir l'analogia en una termodinàmica genuïna i va obrir la paradoxa de la informació.
Debates
- La paradoxa de la informació dels forats negres
- Si l'evaporació produeix radiació purament tèrmica, la informació sobre el que va formar el forat negre sembla perduda, contradient la unitarietat quàntica; les propostes des de la holografia i la correspondència AdS/CFT fins als recents càlculs d'illes suggereixen que la informació es conserva, però no s'ha establert cap mecanisme de consens.
Key figures
- Jacob Bekenstein
- Stephen Hawking
- Brandon Carter
- James Bardeen
Related topics
Seminal works
- bekenstein1973
- hawking1975
Frequently asked questions
- S'ha observat la radiació de Hawking?
- No en un forat negre astrofísic; la temperatura predita per als forats negres estel·lars i més grans és molt inferior a la del fons còsmic de microones, cosa que la fa indetectable, tot i que els sistemes anàlegs de laboratori han reproduït l'efecte subjacent per a horitzons relacionats.
- Per què els forats negres petits irradien més fortament?
- La temperatura de Hawking és inversament proporcional a la massa, de manera que els forats negres més petits són més calents i s'evaporen més ràpidament, acabant les seves vides en una intensa explosió, mentre que els forats negres grans són extremadament freds i s'evaporen en escales de temps que superen àmpliament l'edat de l'univers.